论文总字数：38128字

摘 要

针对实际生活中，由于高楼大厦遮挡GNSS信号，导致单纯依靠SINS导航，会因其误差累积导致导航定位不准的问题，设计了相应的GNSS/SINS/动力学模型组合导航策略。动力学模型辅助导航方法是一种新的方法。GNSS信号强时，采用GNSS/SINS组合导航方法。GNSS信号被遮挡时采用SINS/动力学模型组合导航方法，通过动力学模型并借助外向输入量（纵向力、前轮转向角等）输出车辆的运动参数（角速度、速度等）弥补SINS的累积误差，保证导航信息的可靠性。最后，通过MATLAB仿真实验和与真值的对比，验证该方法在车载导航系统的可靠性、时效性。

本毕设提出的动力学模型辅助车载导航系统，可有效解决GNSS信号无效时，导航系统精度下降的问题。本系统利用车载自身器件，可以降低费用、简化结构、有效提高车载导航系统的鲁邦性和容错性，具有重要的意义。

关键词：捷联惯性导航，全球卫星导航系统，车辆动力学模型，卡尔曼滤波器

Abstract

For the actual life, because the high-rise buildings block the GNSS signal, resulting in relying solely on SINS navigation, because of its error accumulation lead to navigation and positioning are not allowed to design the corresponding GNSS/SINS/dynamic model combination navigation strategy. The kinetic model assisted navigation method is a new method. When the GNSS signal is strong, the GNSS/SINS integrated navigation method is adopted. When the GNSS signal is blocked, the SINS/dynamic model combined navigation method is used to compensate the SINS cumulative error by means of the kinetic model and output the vehicle's motion parameters (angular velocity, velocity, etc.) by means of the external input (longitudinal force, front wheel steering angle), To ensure the reliability of navigation information. Finally, the reliability and timeliness of the method are verified by MATLAB simulation experiment and comparison with the true value.

The proposed dynamic model of the vehicle navigation system, which can effectively solve the GNSS signal is invalid, the navigation system to reduce the accuracy of the problem. The system uses the vehicle itself device, can reduce the cost, simplify the structure, effectively improve the car navigation system strong and fault tolerance, and has important significance.

Key word：SINS，GNSS，vehicle dynamics model，Kalman filter

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.1.1导航的概念及发展历史 1

1.1.2研究意义 2

1.2国内外发展现状 2

1.3主要内容和章节安排 4

第二章 捷联惯性导航系统 6

2.1地球 6

2.1.1地球的形状 6

2.1.2旋转椭球体分析 6

2.2常用坐标系 7

2.2.1坐标系的定义 7

2.2.2坐标转换 8

2.3姿态更新算法 9

2.4位置更新算法 12

2.5速度更新算法 13

2.5.1比力方程 13

2.5.2速度解算 14

2.6惯导解算的基本过程 15

2.7本章小结 17

第三章 动力学模型推导 18

3.1动力学模型 18

3.2本章小结 19

第四章 GNSS/SINS动力学模型组合 20

4.1组合方式 20

4.2卡尔曼滤波器设计 21

4.3GNSS/SINS组合 24

4.4SINS/动力学模型组合 26

4.5本章小结 27

第五章 组合导航系统仿真 28

5.1组合导航系统仿真器设计 28

5.1.1轨迹发生器的仿真设计 28

5.1.2惯性器件仿真器 29

5.2仿真结果及分析 30

5.2.1捷联惯导仿真 30

5.2.2GNSS/SINS组合导航仿真 33

5.2.3SINS/动力学模型组合导航仿真 37

5.3本章小结 42

总结 44

致 谢 45

参考文献 46

绪论

组合导航技术是导航领域中的一门重要的方向，在军事领域以及人们的生活中有着重大的地位。导航在国内基本分为三大领域：民用生活、行业服务以及军事专用。民用生活就是指车载导航、跟踪救援、LBS等^[1]；行业服务一般是指电力、水利等的数据服务中心、应用中心等。军事专用，不属于民用范畴。由此可见，人类对位置等信息精度要求越来越高促使人们对导航孜孜不倦的研究。不仅如此，与导航技术交叉的学科技术的发展也帮助导航技术的提高。

导航技术深入生活，在民用领域发挥了巨大的作用。随着科学技术的发展与导航在人民生活中的适用范围扩大，设计出高精度、高稳定性、尤其是能在高楼大厦信号遮挡下仍能准确导航的导航系统有重大意义。

1.1研究背景及意义

1.1.1导航的概念及发展历史

通常意义上来讲，顾名思义导航就是“指路”，引导人或载体可以沿着满足个人要求的路线到达需求位置。显而易见，导航技术本身非常大的提高了人们的生活质量。从远古到现在，人们在适应自然的复杂地理情况和建立文明社会并保持运转的过程中，发现了并慢慢学会提高借助外界的有利优势和专业领域的导航方法或设备。导航技术发展至今，目前来讲，可以分为两大类。自主：仅单纯使用载体上的测量仪器进行导航，例如惯性导航方法、多普勒导航方法。非自主：海、陆、空三方面载体与地面基站或者卫星接收器进行紧密的联系，互相传输信号，例如无线电导航方法、全球卫星定位导航方法。

具体说到车载导航，其发展历史十分悠久。从1921年地图可以自动更新到现在的系统可以实现与交通系统连接，实时分辨当前的交通情况与交通信号灯，完成系统自动导航。在这期间曾出现过各类有代表性的产品^[2]，它们分别为：1921年美国John J. Bovy申请了安装在汽车上的可滚动地图为汽车导航；到了1960年，美国成功发射了全球首颗轨道导航卫星系统，名叫Transit 1B；美国通用汽车研究室曾在1966年开发过一种不借助卫星的导航辅助系统，名为“DAIR”。本田公司在1977年自主研发了车载导航系统，一种成本低但却稳定性与准确度兼备的气体轴承陀螺仪辅助汽车导航系统。紧接着GNSS技术的发展繁荣发展^[3]。2004年，TomTom公司决定将这项技术融入到一种名为TomTom Go的便携式独立装置上。TomTom Go增加了自定义个性化功能。除了基本的导航功能外，具有提前加载导航指示，以防出现卡顿等情况，还可以语音导航，帮助司机集中注意力。并且，可以预置需求目的地，经过该地时，做出特别提醒。2013年，先锋推出了自主研发的NavGate系统。这个系统有别于其他的传统导航的模式，凭借自己独特的特点独树一帜。这个系统最大的特点是将VR技术与实际导航结合^[4]。其主要工作模式是在汽车遮阳挡的位置安装了一个大面积的可以保证不阻挡视线的显示屏。显示屏可以在司机视线范围内叠加导航指示，提高了导航的用户体验。

1.1.2研究意义

纵观我国道路交通的发展史，近几年的趋势愈发猛烈。人均GDP和人们生活质量的提高，一个家庭有1台或者1台以上的汽车已经成为常态。这虽然极大的节约了我们的时间，但由此导致的严重的车辆堵塞等实际问题无法忽视，且逐渐成为人们生活中的不可避免的重大问题。

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